MATLAB的同步發電機故障運行仿真分析

張兆冰

（茂名熱電廠，廣東 茂名 525000）

前言

隨著電力系統的快速發展和電網的日益擴大以及自動化系統程度的不斷提高,在電力系統中計算和控制問題等也日益復雜,在進行電力試驗時直接從技術和安全上考慮可能性很小。因此,運用電力仿真來解決這些問題非常迫切。本文作者主要通過MATLAB對發電廠單機并網后，在發電廠的同步發電機發生小擾動及短路故障情況下應如何使發電機及系統重新回到穩定狀態進行了模擬，同時就發電機在故障情況下應如何進行處理進行了分析。

1.設備選擇及參數計算

1.1 同步發電機與電網的接線如附圖1：

附圖1

1.2 發電機選定

（1）選取汽輪發電機QFQ-50-2,給定參數如下：額定容量（MW）:50，額定電壓（kV）:10.5，額定電流（A）:3440（2）查出發電機參數并將計算出的標么值輸入。

1.3 ①選擇 110kV雙卷變為：SFP7-63000/110 (接線組別：YN,d11)②查出變壓器參數并計算出標么值輸入。(折算到低壓側)

1.4 廠用電的選擇

選定廠用電負荷的容量為6.25MVA。功率因數cosФ＝0.8。同步發電機故障運行狀況分析：在 MATLAB中可設置各種短路故障，用示波器觀測短路故障時的電流、電壓、同步發電機輸出各參數等受到的影響，以此來分析系統故障對系統及電廠的影響。本次主要以三相短路故障

2 如何解決系統故障，讓系統重新回到穩定狀態

2.1 故障的快速切除

快速切除故障在提高暫態穩定性方面起著首要的，決定性的作用。由于快速切除故障，減小了加速面積，增加了減速面積，提高了發電廠之間并列運行的穩定性。同時，故障的快速切除，使電動機的端電壓迅速回升，減小了電動機失速、停頓的危險，提高了負荷的穩定性。目前，可做到短路發生后0.06秒切除故障，其中，0.02秒是保護裝置動作時間，0.04秒為斷路器動作時間。

2.2 自動重合閘的采用

由于系統中的故障，特別是超高壓輸電線路的故障，絕大多數是短路故障，采用自動重合閘裝置，在故障發生后切除故障線路，待消失后自動重新將這線路投入，以提高供電的可靠性，成功率很高。

上述兩種方法，多用在從系統方面消除故障。

2.3 強行勵磁和快速關閉汽門

這是兩種從自動調節系統入手，借減少功率或能量的差額提高暫態穩定性的措施。非常經濟有效。

（1）快速關閉汽門。所謂快速關閉汽門，按目前技術水平可以達到的指標大致指油動機時間常數不大于0.1秒，汽容時間常數也不大于0.1秒。其中，以汽容時間常數更難減小，限制了快速關閉汽門的效果。所以改為強行勵磁是目前比較有效且能實施的手段。

（2）強行勵磁。強行勵磁對提高發電廠并列運行和負荷的暫態穩定性都很有利。它的作用隨勵磁電壓增長速度和強行勵磁倍數的增大而愈益顯著。將強行勵磁倍數不斷增大，原來不能保持暫態穩定的系統就轉而可保持暫態穩定。強行勵磁的參數可以用勵磁機時間常數或等值的勵磁機時間常數和強行勵磁倍數，即最大可能勵磁電壓與發電機在額定條件下運行時的勵磁電壓之比表示。本次模擬實驗選定故障發生后一個時間常數進行增大勵磁倍數來使系統重新達到穩定。

3 三相短路實驗

當系統發生三相對稱短路時 (圖附1中Fault)，當輸入有功功率不大時，發生三相短路故障，故障消除后，系統能重新回到穩定狀態；當輸入有功功率較大時，發生三相短路故障時，故障消除后，系統回不到穩定狀態。

實驗：（1）當輸入有功功率為0.0785較小時，在30s～30.5s內發生三相短路。其電壓及電流波形如圖：由圖可知，在輸入的有功功率較小時，系統發生三相短路故障，故障消除后，系統電壓能重新回到穩定狀態。

0～60s的電壓變化曲線圖

由上圖可知，在輸入的有功功率較小時，系統發生三相短路故障，故障消除后，系統電流能重新回到穩定狀態。

（2）當輸入功率增大時，系統在發生三相短路后，若不增加勵磁則系統不能回到穩定狀態。實驗：在20秒時有功功率的輸入由0.0785增到0.8，則電壓及電流如圖：

0～60s的電流變化曲線圖

由上兩圖可知，輸入功率增大時，系統在發生三相短路后，若不改變勵磁，則系統不能回到穩定狀態。

（3）當有功功率輸入增大時，勵磁增大值不夠時，當出生三相短路時，系統同樣回不到穩定狀態。

0～35s的電壓變化曲線圖

0～35s的電流變化曲線圖

實驗：在20秒時增加有功率的輸入值由0.0785到0.5，勵磁由0.65增至1.2，短路后勵磁仍為1.2系統電壓及電流波形如圖：

由圖可以看出，短路故障出現后，勵磁增加不夠大時，系統還是回不到穩定狀態。

（4）在20秒時，將輸入功率由0.0785增到0.5，當出現短路故障時，將勵磁增大2倍以上（在30.3秒輸入2.5），在50秒時將輸入功率由0.5增大至0.8。系統電壓、電流波形如下圖：

0～35s的電壓變化曲線圖

0～35s的電流變化曲線圖

由圖可以看出，在20秒時，電壓及電流隨著有功輸入的增大而增大，當出現短路故障時，增大勵磁至短路前的2倍以上時，系統重新回到穩定狀態，在50秒時，輸入功率再一次增大，電壓及電流相應發生振蕩。

0～60s的電壓變化曲線圖

0～60s的電流變化曲線圖

4 結束語

由以上分析可知，勵磁控制可以提高同步發電機的穩定極限。快速勵磁系統允許發電機在較高的系統電抗下運行。這一點很重要，因為從采用大容量機組的趨勢來看，大機組具有大的電抗。對于執行這這種功能的勵磁機來說，需要有高的放大系數。串聯補償使它可以具有高值的直流放大系數，同時有較低的“暫態放大系數”以利于穩定運行。其它的故障分析也與此相同，只要掌握了MATLAB的運用手段，在電力系統分析中可以進行無數的仿真實驗及分析計算，對電力系統進行破壞性仿真實驗有著極大的幫助。隨著MATLAB的推廣，對電力系統的發展將起著很大的促進作用。

[1]吳天明，謝小竹，彭彬《.MATLAB電力系統設計與分析》.國防工業出版社，2004年1月.第1版.

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[3]周鶚主編《.電機學》（第三版）.中國電力出版社，1995年5月.

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